Применение профильной технологии требует создания зубошлифовальной технологической системы, функциональные возможности которой должны быть многоцелевыми для гибкой адаптации под конкретные требования производства. Выбор сбалансированных по характеристикам и возможностям технологических компонентов и средств оснащения при их объединении в металлообрабатывающую систему является сложной технологической задачей, требующей применения научно обоснованных подходов.

Установлены взаимосвязи структурно-функциональной композиции технологических компонентов (заготовки, абразивного инструмента, оснастки, системы управления, средств контроля и станка) в единую систему, обеспечивающие достижимость требуемой точности зубчатого колеса и низкой себестоимости его изготовления. Вскрыта взаимосвязанная соподчиненность профилирующей и формообразующей подсистем и установлено функциональное соответствие между конструктивной сложностью станочной компоненты и сложностью топологии инструментальной поверхности, выраженное аналитически.

Предложен алгоритм синтеза компонентов в систему при технологическом проектировании операции зубошлифования на основе сетевых графов. Задача поиска эффективной структуры является оптимизационной, и ее решение осуществляется методом булева линейного программирования путем выбора лучших альтернатив из множества обходных путей графа по частным критериям предпочтения и по обобщенному показателю эффективности. Обоснован комплекс характеристик зубошлифовального оборудования, способного поддерживать прецизионно-форсированный режим съема металла профильным методом в условиях значительных силовых и тепловых возмущений, обеспечивая точность обработки крупномодульных зубчатых колес не ниже 4-й степени.

Разработаны методы разрешения противоречивых многокритериальных требований к оборудованию путем использования свойств синергичности элементов и модулей зубошлифовального станка, мехатронизации кинематики и управления проектным синтезом его конструкции. Требуемые статические и динамические характеристики упругой системы и приводов формируются за счет взаимно согласованных процедур "синтез-анализ", реализованных в единой среде моделирования с помощью специально разработанных методов принятия решений по управлению точностью проекта. Для этого разработаны модули поддержки, "встроенные" в CAD-среду геометрического моделирования SolidWorks и визуализирующие заданные и достигнутые результаты работы конструктора.

Образное представление численных оценок критериев точности проектируемого объекта (станка, приспособления, схемы формообразования) в пространственной геометрической форме и их визуализации на экране компьютера позволяет принимать лучшие по точности проектные решения. Это осуществляется путем сравнения объемов геометрических фигур, размеры которых определяются в интерактивном режиме на основе моделей эллипсоида погрешности и точности компоновки станка (рис.17).

Рис. 17. 3D-модели станка, схемы формообразования и визуализация их прогнозируемой погрешности (параллелепипеды) и эллипсоида на рабочем экране дисплея конструктора

Сформированный и показываемый на дисплее комплекс трехмерных геометрических фигур отражает степень достигнутого эффекта при конструировании и мотивирует разработчика к принятию правильных решений по уточнению конструкции путем варьирования ее геометрических параметров таким образом, чтобы параллелепипеды (погрешности) не превышали объем эллипсоида (допустимую область). При этом конструктор воспринимает картину численных изменений точности станка в понятной для него пространственной форме.

Обоснованы характеристики зубошлифовального станка для профильного шлифования с горизонтальной и вертикальной осями заготовки. Сформирована динамическая модель винтового привода профильного шлифования винтовых поверхностей зубьев:

,

Где - параметр винта (, здесь - число зубьев), связывающий поступательный (вдоль оси заготовки) и вращательный (,) контуры винтового движения условием: , что позволило на проектной стадии проводить в среде CAE-моделирования многофакторный оценочный расчет параметров конструкции привода.

Разработаны методики расчетного CAE-анализа по различным критериям (статической и динамической жесткости, кинетостатических характеристик, компактности) разрабатываемых зубошлифовальных станков. Проведены проектные мероприятия по их совершенствованию путем оптимизации конструктивных вариантов по критериям жесткости и массы (рис. 18).

Рис. 18. Система формирования характеристик зубошлифовального станка, реализующего профильное шлифование косозубых колес

Определены формы колебаний упругой системы спроектированных зубошлифовальных станков, их собственные частоты и рекомендованы пути их отстройки от резонансного диапазона частот возбуждения колебаний. При оценке напряженно-деформированного состояния станка, инструмента и заготовки при профильном шлифовании косозубых колес решена задача оценки жесткости упругой системы в замкнутой постановке, учитывающей особенности контактного взаимодействия профильного круга с боковыми сторонами впадины колеса.

Оценено изменение влияния параметров контакта на распределение деформаций по элементам связанной технологической системы и предложены пути повышения ее точности при шлифовании винтовых зубьев. Отмечено, что глубинный режим профильного шлифования предъявляет приоритетные требования к виброустойчивости упругой системы станка, а многопроходно-скоростной - к быстродействию и крутильной жесткости приводов, реализующих винтовое движение. Удовлетворение этих требований обеспечивается при разработке зубошлифовального станка итерационным проектно-расчетным моделированием и оптимизацией параметров конструкции по разработанным моделям и методикам.

Адекватность соответствия комплекса рабочих характеристик станка требуемым режимам и выходным показателям работоспособности при профильном шлифовании подтверждена инженерными расчетами, сравненными с данными натурных испытаний существующих станков и технологий, что соответствует принятой практике моделирования на проектных стадиях разработки оборудования.

Реализация результатов заключается в разработанных методиках расчетного анализа и направленного синтеза станочной системы, позволяющих прогнозировать уровень достигаемых показателей точности профильного шлифования зубьев колес. При этом обоснованно формируются технические требования к свойствам технологических компонентов на стадии проектной подготовки по критериям точности и стоимости.

Седьмая глава посвящена выработке теоретических положений профильного шлифования зубьев и методологии имитационного моделирования его цикла. В главе сформулированы основные особенности зубошлифования, на которых строятся феноменологические представления этой технологии, показан дедуктивный принцип формирования закономерных связей и правил, по которым обеспечиваются заданные требования точности зубчатых колес на этой операции. Раскрыты основные положения имитационного моделирования в CAD-средах трехмерного моделирования и особенности пространственной компьютерной симуляции зубообразующих процессов. Необходимость гарантированного обеспечения требуемой точности колес и исключения брака обусловила разработку новых средств компьютерного моделирования процесса зубошлифования, позволяющих объединить в имитационной модели и исследовать установленные взаимосвязи профильной технологии, учесть большое число параметров и факторов, определяющих выходную точность зубчатого колеса по комплексу нормативов. При связывании разнородных частных моделей в комплекс они образуют открытую систему , составляющую базис имитационной модели профильного зубошлифования цилиндрических колес, структура которой показана на рис. 19. Рабочий цикл шлифования зубьев бесцентроидным огибанием симулирован в компьютерной среде с учетом временной динамики и возмущений процесса. Имитационная модель включает симулятор, процессирующий цикл обработки, и информационно-управляющий модуль, задающий возмущения, осуществляющий сбор и обработку результатов для прогноза точности отшлифованного зубчатого колеса с учетом погрешностей заготовки, технологических компонентов и параметров наладки станка.

Рис. 19. Структура имитационной модели цикла профильного зубошлифования

В имитационной модели осуществлена алгоритмизация кругового цикла обработки всех впадин зубчатого колеса с учетом статистического моделирования отклонений позиционного состояния круга и заготовки на каждом профилирующем, формообразующем и делительном циклах на основе компьютерной интеграции погрешностей компонентов и схемы обработки в готовом изделии (рис. 20). Сформирована методика обмена данными, обработки и представления результатов имитационной модели для принятия технологических решений по обеспечению точности профильного шлифования зубчатых колес на разных стадиях производственного цикла и технической подготовки производства.

Адекватность пространственной симуляции процесса профильного шлифования косозубого колеса установлена метрологическим контролем колебания длины общей нормали в CAD-среде и на физических образцах по нормам точности на профиль зубьев и длину общей нормали. Формирование "облака" реперных точек на 3D-модели позволяет осуществить контроль виртуально "отшлифованного" колеса и корректно интерпретировать его результаты для управления точностью обработки (рис.21). Интеграция разработанных частных моделей обеспечения точности профильного шлифования зубьев цилиндрических колес в имитационной модели позволяет выявлять условия недопущения брака на финишной стадии техпроцесса изготовления колеса и формировать оптимальный комплекс технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров под заданные требования технического задания с учетом возможностей конкретного производства.

Рис. 20. Последовательность имитационного моделирования профильной АЗО

Рис. 21. Синтезированное имитационно "отшлифованное" косозубое колесо и метрологический контроль длины общей нормали в 3D-среде

По результатам имитационного моделирования формируются требования и ограничения к параметрам схемы профильного зубошлифования, требования к точности заготовки и величине припуска; вырабатываются решения, позволяющие совершенствовать технологический процесс изготовления цилиндрического колеса по критерию эффективности.

Основные выводы